O PŮVODU DRUHŮ A UČIVU

ROZTOMILÝCH DĚTÍ

Úvod do evoluční biologie a letmý pohled do fylogenetiky. Albert Damaška ¤ Fluorescenční noc

CO JE EVOLUCE• Biologická evoluce je přirozený děj,

kdy se v čase neustále mění organismy.

• Biologická evoluce je mechanismem vzniku nových druhů.

ROZLIŠENÍ EVOLUCEMakroevoluce je přímo dlouhodobý výsledek mikroevoluce, popisuje jevy na vyšší než druhové úrovni.

Mikroevoluce se projevuje pouze na vnitrodruhové úrovni a týká se jednotlivých alel.

MIKROEVOLUCE• Mikroevoluce se projevuje

především na genetické úrovni, případně na úrovni vnitrodruhové variability.

• Dlouhodobá mikroevoluce (pohled ve větším časovém rámci) je makroevolucí – makroevoluce je kontinuální proces, mikroevoluce ve velkém časovém úseku.

SELEKCE – PŘIROZENÝ VÝBĚR

• Úspěch jednotlivých alel je dán tím, jaké účelné vlastnosti přinášejí jejich nositeli.

• Alely, které generují reproverzní znaky, jsou z populace odstraněny, protože jejich nositel chcípne

MUTACE• Při replikaci DNA dochází v

genetickém kódu samovolně k mutacím – chybám, které mohou generovat fenotypické změny

ATCACCCGTACAGCACAAGCTGGACCACAGCGCCGAATTGAAAAAAAGTGATCAGATCAATCATACATG

ATCACCCGTACAGCACGAGCTGGACCACAGCGCCGAATCGAAAAAAAGTGATCAGATCAATCATACATG

GENETICKÝ DRIFT• Genetický drift je efekt, při kterém dochází

k náhodnému úspěchu či neúspěchu jednotlivých alel v populaci.

• Tento jev výrazně snižuje genetickou variabilitu jedinců v populaci.

GENETICKÝ DRIFT• Význam genetického driftu podstatně

roste při zmenšení velikosti populace• Čím menší je populace, tím méně alel

se v ní nachází a tím více se projevuje drift. Při teoreticky nekonečně velké populaci by se drift neprojevoval vůbec

DRAFT – EVOLUČNÍ „SVEZENÍ SE“

• Neutrální alely, které jsou na chromosomu v blízkosti genu, který generuje účelnou vlastnost, se v populaci rychle fixují s ním.

SPECIACE• Vznik nového druhu.

alopatrická

parapatrická

sympatrická

MAKROEVOLUCE• Evoluční děje nad

úrovní druhu• Anageneze/

kladogeneze• Anageneze je vznik

nových znaků – apomorfií

• Kladogeneze je vznik nových taxonů, nových větví kladogramu, nových evolučních linií.

KOEVOLUCE• Evoluce dvou druhů může být výrazně

ovlivněna symbiosou těchto druhů.• Koevoluce je jev, kdy se dva druhy

během vývoje výrazně přizpůsobují fungování symbiosy.

• Koevoluce parasita a hostitele• Koevoluce dvou mutualistů• Typickým projevem koevoluce jsou

rychlé změny fenotypu.

KOEVOLUCE

EXTINKCE• Extinkce je vymizení nějaké jednotky biodiversity

(alely, genu, populace, druhu, vyššího taxonu).• Běžná je extinkce nižších kategorií (vlivem driftu,

kompetice, selekce…)• V historii Země došlo k několika velice výrazným

hromadným extinkcím.

02468

10121416

stáří (mil. let)inte

nzita

vym

írání

(čel

edí/s

tupe

ň)

SOBECKÝ GEN• Teorie Richarda

Dawkense• Jednotkou přirozeného

výběru je alela.• Alely mezi sebou

kompetují a snaží se prosadit v dalších generacích.

• Organismy jsou jen jakýmsi prostředkem alel k šíření.

TAJEMSTVÍ FLEGROVA MRAZÁKU

• Zamrzlá evoluce je představa evolučního biologa Jaroslava Flegra.

• V populaci se stýká tolik znaků, že vzniká příliš velké množství selekčních tlaků na to, aby se vývoj někam posunul.

• Evoluce se může projevit jen v malé populaci.

• Většina druhů není tedy plastická, ale zamrzlá.

JAK VISUALISOVAT EVOLUČNÍ PŘÍBUZNOST DRUHŮ

• Rekonstrukce fylogeneze• Fylogenetický strom

především kladogram je diagram, který pomocí dichotomického větvení zobrazuje fylogenetické příbuznosti taxonů

• Kladogramy jsou dnes základem pro taxonomii

PRINCIP KLADOGRAMUTAXON A

TAXON B

TAXON C

POSLEDNÍ SPOLEČNÝ PŘEDEK A + B

POSLEDNÍ SPOLEČNÝ PŘEDEKA + B + C Taxony A a B jsou sesterské

skupiny. Každá větev kladogramu se nazývá clade. Clade AB je sesterská skupina taxonu (clade) C. Bod větvení se nazývá uzel nebo nodus. Taxony A a B jsou si stejně příbuzné a oba jsou stejně příbuzné taxonu C.

PŘÍKLAD NA PROCVIČENÍ

A

B

1 3

2

Který z cladů, označených čísly, je nejpříbuznější cladu B?Všechny číslované clady jsou cladu B příbuzné stejně.

JAK SE DĚLÁ KLADOGRAM• Fylogenetická analýza – výběr znaků

a jejich porovnávání mezi analyzovanými organismy.

• Množina organismů pro analýzu se nazývá sampling.

• Morfologická analýza (práce s morfologickými znaky).

• Molekulární fylogenetika – na základě genetických sekvencí.

• Pokud se pro analýzu použije celý genom či jeho značná část, používá se pro analýzu název fylogenomika.

MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA

SBĚR VZORKŮ

EXTRAKCE DNA ZE VZORKU

PCR SEKVENACE ANALÝZA SEKVENCÍ

SESTAVENÍ KLADOGRA

MU

PCR – polymerase chain reaction – příprava velkého množství kopií konkrétního úseku DNA (znáte z praktika).

Sekvenace je proces, při kterém se zjišťuje přesné pořadí basí v daném úseku DNA.

SEKVENACE

Sangerova metoda:• Jednovláknová DNA se umístí do reakční směsi s DNA

polymerázou, radioaktivně označenými primery, deoxyribonukleotidy a vždy jedním ze čtyř možných dideoxyribonukleotidů.

• Reakcí vznikají v každé ze 4 nádob (v každé s jiným dideoxyribonukleotidem) různě dlouhé úseky DNA, vždy končící příslušnou basí.

• Ty se řadí na elektroforéze podle délky.

AATTAATTAGCCA

ATATTATTAGCCATATTAGCCATT

ATTAGATTAGCCATTG

ATTAGCATTAGCCATTAGCCATTGC

A T T A G C C A T T G C

Kde je chyba, Watsone?

MODERNÍ METODY SEKVENACE

• Pyrosekvenace• SMRT (Single-molecule-real-time) sledování

replikace jedné molekuly DNA – base jsou fluorescenčně značeny.

• U nás se v praxi nejčastěji užívá poněkud modernizované Sangerovy metody

SESTAVOVÁNÍ KLADOGRAMU• Matice znaků (použijeme znaky

morfologické)TAXON KROVKY HALTERY PŘEDNÍ

KŘÍDLA BLANITÁ

ZADNÍ KŘÍDLA BLANITÁ

Mandelinka

1 0 0 1

Střevlík 1 0 0 1Moucha 0 1 1 0Pestřenka 0 1 1 0Včela 0 0 1 1

MANDELINKA

STŘEVLÍK

MOUCHA PESTŘENKA

VČELA

KDE JE KOŘEN KLADOGRAMU?

SESTAVOVÁNÍ KLADOGRAMUTAXON KROVKY HALTERY PŘEDNÍ

KŘÍDLA BLANITÁ

ZADNÍ KŘÍDLA BLANITÁ

Mandelinka 1 0 0 1Střevlík 1 0 0 1Moucha 0 1 1 0Pestřenka 0 1 1 0Včela 0 0 1 1Vážka 0 0 1 1

Do matice zahrneme zástupce některého z příbuzných taxonů.Tento prvek, sloužící k zakořenění kladogramu, se nazývá outgroup.

MANDELINKA

STŘEVLÍK

MOUCHA PESTŘENKA

VČELA

VÁŽKA

KOŘEN KLADOGRAMU

MANDELINKA

STŘEVLÍK

PESTŘENKA

MOUCHA

VČELA

VÁŽKA - OUTGROUP

ZNAKY V JEDNOTLIVÝCH CLADECH

• Apomorfie je odvozený znak, je společný pro potomky společného předka, který tímto znakem disponoval, ale jeho předci ne.

• Plesiomorfie je primitivní znak, je společný pro společného předka, jeho předky a minimálně část jeho potomků.

• Konvergence je jev, kdy v evoluci víckrát nezávisle na sobě vznikne podobná nebo stejná struktura.

APOMORFIEPeří je apomorfií theropodů.

PLESIOMORFIENohy jsou plesiomorfií savců.

KONVERGENCEKřídla ptáků a netopýrů jsou konvergence.

KLADOGRAMY A TAXONOMIE• Tradiční taxonomie mnohdy

neodpovídá reálné fylogenezi taxonů• Je třeba optimalisovat taxonomii

podle známých kladogramů.• Některé apomorfie mohou členové

cladu druhotně ztratit.

TRADIČNÍ TAXONOMICKÉ MYŠLENÍ

HymenopteraAculeata

Apoidea

ApidaeCeratina

TRADIČNÍ TAXONOMICKÉ MYŠLENÍ

Ceratina chalybeaCeratina cucurbitina

Ceratina nigrolabiata

Ceratina cyanea

Xylocopa

Apis

SOUČASNÝ POHLED: FYLOGENETICKÉ TAXONOMICKÉ MYŠLENÍ

SOUČASNÝ POHLED: FYLOGENETICKÉ TAXONOMICKÉ MYŠLENÍ

Ceratina chalybea

Ceratina cucurbitina

Ceratina nigrolabiata

Ceratina cyanea

Xylocopa

Taxon není krabička, kam umisťujeme jiné krabičky, taxon je definován fylogeneticky. Uznávatelný taxon = clade.

JAK TO DOPADLO S TRADIČNÍMI TAXONY: KTERÉ EXISTUJÍ A KTERÉ NE

Monofyletický taxon je konkrétní clade. zahrnuje společného předka a všechny jeho potomky (příklad: ptáci, savci, hmyz).

JAK TO DOPADLO S TRADIČNÍMI TAXONY: KTERÉ EXISTUJÍ A KTERÉ NE

Parafyletický taxon zahrnuje společného předka, ale nezahrnuje všechny jeho potomky (příklad: plazi, korýši, prvoci).

JAK TO DOPADLO S TRADIČNÍMI TAXONY: KTERÉ EXISTUJÍ A KTERÉ NE

Polyfyletický taxon nezahrnuje společného předka. Takové taxony jsou založeny na konvergenci (příklad: vzdušnicovci, hlenky, kořenonožci, řasy).

• V TAXONOMII LZE UZNÁVAT POUZE MONOFYLETICKÉ TAXONY. UZNÁVÁNÍ PARAFYLETICKÝCH A POLYFYLETICKÝCH TAXONŮ JE REPROVERZNÍ ŠTYFT, PROTOŽE TYTO TAXONY JSOU VYTVOŘENY UMĚLE A V PŘÍRODĚ NEEXISTUJÍ.

MONOFYLIE PARAFYLIE POLYFYLIE

BAZÁLNÍ TAXON A VRCHOLY EVOLUCE

• Při hovoření o fylogenetických vztazích je zvykem některé taxony označovat za bazální a některé za vrcholové.

• Bazální skupina je obvykle menší, než vrcholová.

• Koncept bazálního taxonu je dobrý sluha, ale zlý pán.

• Evoluce nemá žádné vrcholy. Sesterské skupiny jsou obě na stejné úrovni.

EVOLUCE NEMÁ VRCHOLY: KLADOGRAM LZE ROTOVAT

VEJCORODÍ

VAČNATCI PLACENTÁLOVÉ

VARIANTA 1 – Na bázi všech ostatních savců jsou vejcorodí. Vejcorodí jsou bazální vůči ostatním savcům.

EVOLUCE NEMÁ VRCHOLY: KLADOGRAM LZE ROTOVAT

VEJCORODÍ

VAČNATCIPLACENTÁLOVÉ

VARIANTA 1 – Na bázi vejcorodých jsou všichni ostatní savci. Vůči vejcorodým jsou bazální všichni ostatní savci.

NĚKTERÉ VÝZNAMNÉ TAXONOMICKÉ ZMĚNY – PARAFYLIE A POLYFYLIE

• Prvoci neexistují. Jsou parafyletičtí a uvnitř se nacházejí rostliny, houby i živočichové.

• Diblastica neexistují. Jsou parafyletičtí, uvnitř jsou Triblastica.

• Korýši neexistují. Jsou parafyletičtí, uvnitř je hmyz a tvoří dohromady skupinu Pancrustacea.

• Vzdušnicovci neexistují. Jsou polyfyletičtí.• Dvouděložné neexistují. Jsou parafyletické, uvnitř jsou

jednoděložné.• Zelené řasy neexistují. Jsou parafyletické, uvnitř jsou

cévnaté rostliny.• Plazi neexistují. Jsou parafyletičtí a uvnitř jsou ptáci.• Ještěři neexistují. Jsou parafyletičtí a uvnitř jsou hadi.• …

GRACIAS POR LA ATENCIÓN Y HASTA LUEGO